心臓磁気共鳴イメージング

出典:フレデリック・W・ダーメンとクレイグ・J・ガーゲン、ウェルドン生物医工学部、パデュー大学、ウェストラファイエット、インディアナ州

このビデオでは、高視野、生理学的モニタリングを有する小さなボア磁気共鳴画像(MRI)が、マウス心血管系のゲートシネループを獲得することが実証されている。この手順は、左心室機能を評価し、血管ネットワークを可視化し、呼吸による臓器の動きを定量化するための基礎を提供する。同等の小動物心血管イメージングモダリティには、高周波超音波およびマイクロコンピュータ断層撮影(CT)が含まれます。ただし、各モダリティは、考慮する必要があるトレードオフに関連付けられています。超音波は高い空間的および時間的な決断を提供するが、イメージングアーティファクトは一般的である。例えば、緻密な組織(すなわち、胸骨および肋骨)は、イメージング浸透深さを制限することができ、および気体と液体との界面における高周エコー信号(すなわち、肺を取り巻く胸膜)は、近くの組織においてコントラストをぼかすことができる。対照的にマイクロCTは、多くの面内アーティファクトに苦しんではいませんが、時間分解能が低く、柔らかい組織のコントラストが制限されています。さらに、マイクロCTはX線放射を使用し、多くの場合、放射線損傷や腎損傷を含む高用量で副作用を引き起こすことが知られている血管系を可視化するために造影剤の使用を必要とします。心血管MRIは、電離放射線の必要性を否定し、造影剤なしで画像を画像化する能力をユーザーに提供することによって、これらの技術間の素晴らしい妥協を提供します(ただし、造影剤はMRIにしばしば使用されます)。

このデータは、呼吸中の心臓サイクルおよび呼吸高原のRピークからゲートオフされたトリガ高速低角度SHot(FLASH)MRI配列で取得された。これらの生理学的事象は、皮下電極および腹部に対して固定された感圧枕を通して監視された。マウスが適切に温かされたことを確認するために、直腸温度プローブを挿入し、MRI安全加熱ファンの出力を制御するために使用しました。動物がMRIスキャナーの穴に挿入され、位置決めを確認するためにナビゲーションシーケンスが実行されると、ゲートFLASHイメージングプレーンが処方され、データが取得されました。全体的に、高磁場MRIは、小動物疾患モデルの研究のための柔らかい組織のコントラストを提供することができる強力な研究ツールです。

磁気共鳴イメージングは、組織の常磁性特性を利用して軟部組織のコントラストを可視化する技術です。MRI機械の穴は、電流を流すときに一定の均質な磁場(B₀₎を提供するソレノイドコイルを使用して従来から巻き付けされています。提示された高磁場マウスイメージングでは、地球の磁場の約14万倍、一般的な臨床3Tおよび1.5Tスキャナフィールド強度の2倍以上の7テスラ(T)磁界強度が使用されています。この均質な磁場は、ほぼすべての生体組織に固有の水素陽子を回転軸に位置合わせさせます。これらのスピンは、回転軸(反転角度)に対して特定の角度に無線周波数(RF)波を使用して「チップ」することができます。陽子が元の向きに戻ってリラックスしようとすると、主軸に垂直なスピンの成分が検出可能な電気信号を誘導します。

さらに、磁気勾配を適用して主磁場を摂動させ、空間的に絶縁されたRF励起を可能にし、受信信号を局在させることができます。ここで説明する方法に固有の FLASH シーケンスは、繰り返し低反転角度励起を使用して、陽子運動で定常状態パターンを誘導します。このパラダイムは、心血管系のような本質的に動的な組織を迅速に画像化し、心周期内で比較的安定したスナップショットを達成することを可能にする。生理学的シグナルを用いてFLASH配列をトリガすることにより、心臓、血管、呼吸運動の両方を強調する心血管系の画像を取得することができます。

1. 動物の調製

1. ケージ内で画像化するマウスを識別し、麻酔誘導室に移します。
2. イソフルランを使用してマウスを麻酔し、つま先ピンチ技術を使用してノックダウンを確認します。親指と人差し指の間の足を取り、しっかりとピンチして応答を確認します。動物が足を引きこもった場合は、承認されたプロトコルに従って麻酔で待つか、再投与する必要があります。
3. イメージング施設に入るスタッフ全員がMRセーフであることを確認してください。これには、磁気衣類/アクセサリーの取り外し、磁気インプラントやペースメーカーの確認、ピアスを含む金属の除去などが含まれます。
4. MRIルームのノセコーンへのオープンアイソフルランフロー。これにより、動物が目を覚まさないようにマウス転写前に麻酔薬で長いチューブをプライミングすることができます。
5. 麻酔誘導室へのアイソフルランの流れを閉じ、マウスを撮像段階に移す。心臓のおおよその位置が磁石の中心に揃うように、マウスをステージ上に置きます。
6. つま先ピンチテクニックを使用して、ノーズコーンを固定し、ノックダウンを再確認します。
7. 心臓の左右に1本、左後肢の基部に1本のリードを持つ3つの心電図リードを皮下に挿入します。
8. 滅菌プローブシースと潤滑剤を使用して直腸温度プローブを挿入します。
9. 枕呼吸センサーを腹部の上腹部に置き、段ボール板を使用して所定の場所に固定します。段ボールは圧力感受性信号を保障することを可能にする。
10. すべての生理学的信号がスキャナールームの外の監視ソフトウェアを介して取得されていることを確認します。心拍数、呼吸数、または正常範囲外の温度が検出された場合は、イメージングを一時停止し、動物が適切に麻酔されているかどうかを評価します。動物が苦しんでいることが判明した場合、麻酔投与は中止し、動物は回復するためにケージに戻す必要があります。
11. 加熱モジュールとファンをセットアップし、動物への気流の温めを開始します。すべてのエアチューブを所定の位置に固定し、暖かい空気が尾の先端を過ぎて始まるマウスに向かって吹き飛ばされるようにします。
12. グラデーションコイルを動物の上に置き、すべてのケーブル/チューブが固定されていることを確認します。

2.心臓磁気共鳴イメージング - このセクションは、他のアプリケーションに適応することができます。

1. マグネットの穴の外側にある勾配コイルを調整して一致させ、最大信号が被写体から検出されていることを確認します。
2. ゆっくりと、動物がボアの中央に直接配置されるように、磁石の穴に撮像段階を挿入します。これには、グラデーション コイルがすべての放射状方向に沿って等しい間隔を持っていることを確認する方法が含まれます。これは、主磁場が最も均質になる位置です。
3. ローカライザー/ナビゲータスキャンを実行して、スキャナ内のマウスの位置を確認します。心臓の一部のセグメントは、3つの平面(軸、矢状、冠状動脈)すべて内で可視化する必要があります。そうでない場合は、目的の位置が達成されるまで、マウスの位置を変更し、ローカライザー/ナビゲーションスキャンを実行するプロセスを繰り返します。
4. FLASH シーケンスのパラメーターを設定します。たとえば、TR/TE = 8.0/2.0 ミリ秒、FA = 20°、FOV = 35 x 35 mm、マトリックス サイズ = 192 x 192、NEX = 6 などです。次に、外部トリガを「オン」に選択します。
5. 監視ソフトウェアで、MRIシーケンスが心臓サイクルのRピークを識別する際に開始され、呼吸が呼吸段階で安定している間にMRIシーケンスが開始されるように外部トリガを設定します。これら 2 つの条件が満たされると、シーケンスを順次実行でき、データが取得されます。
6. スライス平面が大動脈弁を通って心臓の頂点から軸に従うよう、コロナビューで初期 FLASH シーケンススライスを規定して実行します。この最初のシネループは心臓の2つの部屋の眺めを提供する。
7. 2つのチャンバービューから結果を参照し、4つのチャンバービューを視覚化するために、頂点大動脈弁軸に沿って新しいFLASHシーケンスを処方して実行します。
8. 最後に、心臓のほぼ半分の頂点大動脈弁軸に垂直な短軸スライスを処方します。乳頭筋肉は、この位置のシネループ出力内ではっきりと見える必要があります。
   1. 追加のスライスは、このスライスと並行して取得して、心臓の時間同期ボリュームを構築できます。これらのボリュームは、後処理で隣接するシネループを連結することによって作成されます。
9. イメージングが完了したら、取得したデータを分析のために適切な場所に転送し、スキャナーから動物を取り除きます。

図1は、心臓の基頂点軸に直接垂直であり、乳頭筋を含む位置にある左心室の短軸図のシネループを示す。

図1:末端拡張期(t=8)およびピーク収縮期(t=13)を含む、心臓サイクル全体にわたる14個の短軸ビュースナップショットを有するマウス心臓の明るい血液シネイメージング。左心室の内腔内のドロップアウト信号の領域は、もともと飛行機から出ていて、RF波励起によってタグ付けされていない速い血液移動を示す。

2番目の代表的な画像は、僧帽弁と三尖弁を通る明るい血液の流入を伴う心臓の4室の見解を示し、大動脈弁と肺弁を通って流れ出る。

図2:末端の拡張期(左)とピーク収縮期(右)を示す4つのチャンバービューを用いたマウス心臓の明るい血液シネイメージング。左心室の内腔内のドロップアウト信号の領域は、もともと飛行機から出ていて、RF波励起によってタグ付けされていない速い血液移動を示す。

最後に、3 番目の代表的な結果は、マウス本体全体の心血管系を視覚化するために複数のスライスを空間的に組み合わせる方法を示す最大強度投影 (MIP) です。

図3:マウスの胸部および腹部領域を示す時間同期2次元明るい血液画像の3次元スタックの最大強度投影。心臓、下大静脈、小腹部大動脈瘤(赤丸)がこの見解から見える。

ここで、心臓MRIは、マウス心臓のシネループデータを取得するために心臓および呼吸ゲーティングと組み合わせて使用される。心臓はデモンストレーションの焦点であったが、心血管系の追加領域は、同じ方法論に従って画像化することができる。MRIは、他のイメージングモダリティで一般的に見られるのと同じアーティファクトに苦しんではいませんが、取得期間ごとに空間分解能が達成される顕著なトレードオフがあります。このトレードオフは、マウスが重度の疾患モデルなど、麻酔のより長い持続時間に耐えられない場合に懸念されます。それでも、MRIは、マイクロCTに固有の電離放射線損傷のリスクなしに基礎組織を可視化するという利点を有する。MRI技術を用いて、心血管の生体内評価を行うことができ、疾患進行および関連する治療応答の両方の基礎を小動物モデルに敷設する。

記述された技術の延長として、この技術は、健康な心臓と病気の心臓の運動学を比較するために使用することができる。心臓機能障害のマウスモデルは、診療所で見られるものよりもはるかに制御することができ、研究者は心臓病に寄与する特定の要因を特定し、機械的損傷後の改造プロセスを研究することができます。さらに、腹部大動脈瘤(AAA)形成などの血管焦点を持って同等の研究を行うことができる。血液が記載された方法の下で高強度信号を与えることを考えると、コントラストを利用してAAAの拡大を評価し、血管の生体力学的特性の変化を測定することができます。最後に、脳の血管形成を見る研究は、外傷性脳損傷または脳卒中に対する血管新生反応を比較するために行うことができる。理想的には、ほとんどの前臨床イメージングと同様に、高視野心血管MRIなどの技術は、ヒト疾患プロセスの理解を深め、次世代の診断技術に向けたイノベーションを引き起こす可能性があります。